DE1278194B - Verfahren zum Vakuumaufdampfen von stabilen duennen Siliciummonoxyd-Schichten - Google Patents

Verfahren zum Vakuumaufdampfen von stabilen duennen Siliciummonoxyd-Schichten

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DE1278194B
DE1278194B DEJ22346A DEJ0022346A DE1278194B DE 1278194 B DE1278194 B DE 1278194B DE J22346 A DEJ22346 A DE J22346A DE J0022346 A DEJ0022346 A DE J0022346A DE 1278194 B DE1278194 B DE 1278194B
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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • H10N60/35Cryotrons

Description

  • Verfahren zum Vakuumaufdampfen von stabilen dünnen Siliciummonoxyd-Schichten Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vakuumaufdampfen von stabilen dünnen Siliciummonoxyd-Schichten mit vorbestimmbarer Materialspannung, insbesondere für die Herstellung von mehrschichtigen Kryotronvorrichtungen.
  • Bei bekannten Verfahren zum Aufdampfen dünner Schichten bilden sich in den Schichten häufig Haarrisse und winzige Falten, wenn sie der Luft ausgesetzt werden. Dies ist in erster Linie darauf zurückzuführen, daß in den Schichten beim Aufdampfen hohe mechanische Spannungen auftreten, die sich beim Oxydieren an der Luft noch vergrößern.
  • Derartige dünne Schichten, die Stärken von einigen Hundert Angström aufweisen können, werden beispielsweise in der optischen Industrie als Antireflexbeläge oder andere, die spektrale Durchlässigkeit beeinflussende Beläge von Linsen, bei elektronenmikroskopischen Untersuchungen zum Anfertigen von Abdrücken oder Trägerschichten und in der Elektronik zum Herstellen von integrierten Mikro-Miniaturschaltungen mit Halbleiter- oder Kyrotronelementen verwendet. Die obengenannten Nachteile wirken sich insbesondere bei der Herstellung von Mikro-Miniaturschaltungen sehr nachteilig aus.
  • In der Literaturstelle »Journal of the American Ceramic Society<c, Bd. 33, 1950, S. 354, wird auf die Abhängigkeit bestimmter Eigenschaften von aufgedampften Siliciummonoxyd-Schichten von der Aufdampfungstemperatur hingewiesen. Der Literaturstelle ist jedoch nicht zu entnehmen, daß bei geeignet gewählten Randbedingungen ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Verdampfungstemperatur und der Zugfestigkeit bzw. der Druckfestigkeit der aufgedampften Schichten besteht. Die oben angeführten Nachteile der bisher bekannten Verfahren können somit mit den in dieser Literaturstelle enthaltenen Lehren zum technischen Handeln nicht vermieden werden.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Vakuumaufdampfen von stabilen dünnen Siliciummonoxyd-Schichten, welches es ermöglicht, in diesen Schichten eine nach Größe und Richtung vorherbestimmbare mechanische Spannung zu erzeugen und an die Eigenschaften benachbarter Schichten anzupassen, und welches darüber hinaus eine Dichte dieser Schichten gewährleistet, die eine spätere Oxydation weitgehend ausschließt.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zum Vakuumaufdampfen von stabilen dünnen Siliciummonoxyd-Schichten mit vorbestimmbarer Materialspannung, insbesondere für die Herstelluüg von mehrschichtigen Kryotronvorrichtungen gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Aufdampfen bei einem Druck von höchstens 10-11 mm Hg und bei einer Temperatur des zu verdampfenden Materials im Bereich von 1300 bis 1450°C durchgeführt wird.
  • Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens- ist dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufdampfen von Schichten mit hohen Zugspannungen im unteren Teil und zum Aufdampfen von Schichten mit kleinen Zugspannungen oder Druckspannungen im oberen Teil des Temperaturbereichs gearbeitet wird.
  • Die Erfindung wird anschließend an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen Schnitt durch eine Kryotronvorrichtung, F i g. 2 eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, F i g. 3 bis 8 graphische Darstellungen der Abhängigkeit der Druck- bzw. Zugfestigkeit von den verschiedenen, bei der Durchführung des Verfahrens zu berücksichtigenden Parametern, F i g. 9 eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignete Verdampfungsquelle. Die in F i g. 1 gezeigte Kryotronvorrichtung besteht aus dünnen Schichten 1 aus Siliciummonoxyd mit einer Stärke von etwa 5000 A, zwischen denen durch aufeinanderfolgende Aufdampfungs- und Kondensationsprozesse dünne Schichten aus Blei (Pb) 3a und 3b und Zinn (Sn) 5 angeordnet sind. Die ganze mehrschichtige Kombination liegt auf einer Unterlage 9 auf. Diese aufeinanderfolgenden Aufdampfungs- und Kondensationsprozesse werden in einer Verdampfungskammer 7 ausgeführt, wie sie in F i g. 2 dargestellt ist. Gemäß F i g. 1 bildet die Zinnschicht 5 den Torleiter des Kryotrons, dessen Umschaltung zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand durch den Einfluß eines magnetischen Feldes bewirkt wird. Dieses magnetische Feld wird durch einen Stromfluß von mindestens einer vorherbestimmten Größe durch den Steuerleiter 3a erzeugt. Die Bleischicht 3b dient als supraleitende magnetische Abschirmungsschicht, die die Induktivität der Leitungen reduziert und die Stromleitungskapazität der Zinn-Torschicht 5 im supraleitenden Zustand erhöht.
  • Grundsätzlich beruht die Wirkungsweise von Kryotronvorrichtungen auf dem physikalischen Phänomen der Supraleitfähigkeit, die eine Eigenschaft bestimmter Stoffe ist, z. B. Blei, Zinn usw., die unterhalb einer nahe dem absoluten Nullpunkt liegenden Temperatur keinen elektrischen Widerstand aufweisen. Die Tatsache, daß das Kryotron von F i g. 1 normalerweise auf einer Betriebstemperatur gehalten wird, die unter der kritischen Temperatur der Zinn-Torschicht 5 liegt, z. B. 3,3°K, hat zu zahlreichen Fabrikationsschwierigkeiten geführt, deren hauptsächlichste die ist, daß in den Siliciummonoxyd-Schichten Materialspannungen entstehen. Bisher sind diese Siliciummonoxyd-Schichten mit ungesteuerter Eigenspannung auf die Unterlage 9 aufgebracht worden, und zwar während des Aufdampfungs- und Kondensationsprozesses bei zwischen 300 und 330°K liegenden erhöhten Temperaturen. Bei Abkühlung auf die Betriebstemperaturen der Kryotronvorrichtung, d. h. 3,3°K, muß die Materialspannung der isolierenden Siliciummonoxyd-Schichten so beschaffen sein, daß die durch Differenzen in den Wärmeausdehnungskoeffizienten der jeweiligen Schichten bewirkten Spannungen nicht groß genug sind, um diese Schichten zum Reißen zu bringen. In diesemFalle würde zwischen der angrenzenden Zinn-Torschicht 5 und den Steuer-oder Abschirmungsschichten 3a und 3b ein Kurzschluß entstehen, der eine Betriebsstörung des Kryotrons herbeiführt. Solche Betriebsstörungen lassen sich jedoch mit Sicherheit vermeiden, wenn während des Aufdampfungs- und Kondensationsprozesses in jede Siliciummonoxyd-Schicht eine vorherbestimmte Materialspannung eingeführt wird, die bei den Betriebstemperaturen die durch Differenzen in den jeweiligen Wärmeausdehnungskoefflzienten benachbarter Schichten in der Kryotronvorrichtung bewirkte Spannung etwa auf Null reduziert.
  • Die Einführung einer gesteuerten Materialspannung in stabile Siliciummonoxyd-Schichten 1 gemäß der Erfindung läßt sich durch die in F i g. 2 gezeigte Anordnung 7 erreichen. Diese Anordnung bewirkt nacheinander Aufdampfungs- und Kondensationsprozesse bezüglich jeder Schicht der mehrschichtigen Kryotronvorrichtung von F i g. 1. Der Rand einer Glasglocke 11 wird von einer ringförmigen Nut in einen kreisförmigen Gummidichtring15 aufgenommen. Der Dichtring 15 bildet einen luftdichten Abschluß bei Drücken bis zu mindestens 10-' mm Hg, wenn die Glasglocke 11 über ein Saugrohr 17 evakuiert wird. Das Saugrohr 17 geht durch die Grundplatte 13 hindurch, und sein anderes Ende ist an eine hier nicht gezeigte Hochvakuumpumpe angeschlossen. Die einzelnen Schichten der Kryotronvorrichtung werden nacheinander auf eine Unterlage 9 aufgebracht, die am oberen Teil der Glasglocke 11 durch zwei rechtwinklige Klammern 19 festgehalten wird. Die Klammern 19 werden starr und aufrecht stehend in Löchern 21 in der Grundplatte 13 festgehalten.
  • Die zu kondensierenden und auf die Unterlage 9 aufzubringenden Siliciummonoxyd-, Blei- und Zinn-Verdampfungsstoffe werden von den Verdampfungsquellen 23, 25 bzw. 27 geliefert. Diese sind gebündelt und etwa senkrecht zur Unterlage 9 auf einer Tragplatte 29 angeordnet, die über der Grundplatte 13 von isolierenden Abstandsstücken 31 getragen wird.
  • Eine Verteilerplatte 33 ist unmittelbar über den Verdampfungsquellen 23, 25 und 27 angeordnet und wird über der Grundplatte 13 von zwei Stäben 34 getragen. Die Verteilerplatte 33 enthält mehrere Öffnungen 35, die jede mit einer der Verdampfungsquellen fluchtet und so punktförmige Quellen der Siliciummonoxyd-, Blei- bzw. Zinn-Verdampfungsstoffe bilden. Ein Verschlußelement 37 wird wahlweise so zwischen die Verteilerplatte 33 und die Unterlage 9 gestellt, daß es die Verdampfungsstoffe auffängt und ihre Kondensation auf der Unterlage 9 verhindert. Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird nur Siliciummonoxyd, das bei Quellentemperaturen zwischen 1300 und 1450°C geliefert wird, auf der Unterlage 9 kondensiert. Wenn daher die Verdampfungsquelle 23 auf eine ausgewählte Temperatur erwärmt worden ist, läßt sich der Verschluß 37 horizontal aus der Lage über die Unterlage 9 entfernen durch einen Steuerknopf 39, der sich außerhalb der Glasglocke 11 und unter der Grundplatte 13 befindet. Der Steuerknopf 39 ist mit dem Verschluß 37 über eine Pleuelstange 41 verbunden, die in einem Lager 42 auf einer der Klammern 19 sitzt.
  • Zwischen dem Verschluß 37 und der Unterlage 9 befindet sich eine Maskierungsanordnung 43 zum Schablonieren von übereinanderliegenden Konfigurationen der betreffenden Verdampfungsstoffe aus den Quellen 23, 25 und 27 auf die Unterlage 9. Entsprechende Masken 45 sind hintereinander in einem Wagenelement 47 angeordnet, das in einem röhrenförmigen Gebilde 49 gleitend angebracht ist. Das röhrenförmige Gebilde 49 ist horizontal an der Innenseite der Glasglocke 11 durch ein Trägerelement 51 festgehalten. Die einzelnen Masken 45 werden Wahlweise so über der Fläche der Unterlage 9 und innerhalb einer Öffnung 53, die in dem röhrenförmigen Gebilde 49 vorgesehen ist, eingestellt, daß sie Teile der von der Verteilerplatte 33 aufwärts gerichteten Verdampfungsstoffe auffangen. Die Masken 45 werden innerhalb der Öffnung 53 wahlweise eingestellt durch das horizontale Verstellen eines Steuerknopfes 55, der über eine Pleuelstange 56 mit einem Wagen 47 verbunden ist.
  • Jede der Aufdampfungsquellen 23, 25 und 27 besteht aus einer herausnehmbaren, röhrenförmigen Ladungspatrone 57, die in einem zylindrischen Heizelement 59 aufgenommen wird, welches zwischen zwei konzentrischen Strahlungsschirmen 61 und 63 angeordnet ist. Das Heizelement 59, die Strahlungsschirme 61 und 63 sowie die Patrone 57 bestehen aus hitzebeständigem Material, z. B. aus Tantal. Das Heizelement 59 und die Strahlungsschirme 61 und 63 tragen an entsprechenden Enden ringförmige Randteile 65, 66 bzw. 67 von nach und nach kleiner werdender Länge. Nach Ineinandersetzen des Heizelements 54 und der Strahlungsschirme 61 und 63 werden diese durch die Bolzenanordnung 69 in einem feststehenden räumlichen Verhältnis zueinander gehalten. Außerdem weist jedes Heizelement 59 an ,seinem unteren Ende einen zweiten ringförmigen Rand 71 auf, durch welchen die Aufdampfungsquellen 23, 25 und 27 jede mittels Bolzenanordnungen 73 an der Trägerplatte 59 befestigt sind.
  • Elektrische Energie wird den Verdampfungsquellen 23, 25 und 27 einzeln über Zuführungen 75 und 77 in der Grundplatte 13 über Leitungen 79 und 81 zugeführt. Jedes Leitungspaar 79 und 81 ist an schrägliegende Bolzenanordnungen 69 bzw. 79 so angeschlossen, daß elektrische Energie durch das mit Widerstand behaftete Heizelement 59 hindurchgeht. Die Strahlungsschirme 61 und 63 leiten nahezu die ganze so erzeugte Wärmeenergie nach innen zu den entsprechenden Patronen 57, um das darin enthaltene Verdampfungsmaterial einheitlich zu erhitzen. Die genaue Temperatur der Verdampfungsquelle läßt sich leicht feststellen durch ein Thermopaar 82, das an der Wand des Heizelements 59 angebracht ist. Dieses Thermopaar 82 kann z. B. aus Platin-Platin mit 100/, Rhodium bestehen und ist über entsprechende Leitungen durch die Grundplatte 13 hindurch mit einem Meßgerät 84 verbunden.
  • Wenn das Siliciummonoxyd in Tablettenform geliefert wird, kann eine Verdampfungsquelle des in F i g. 9 gezeigten Typs verwendet werden. Wie gezeigt, werden Siliciummonoxydtabletten, durch deren Mitte ein kleines Loch gebohrt ist, auf einem Trägerdraht 103 gestapelt und mit einer Zwinge 105 festgehalten. Der Draht 103 hält die Tabletten 101 von innen so fest, daß er das röhrenförmige Heizelement 107 nicht berührt. Elektrische Energie wird dem Heizelement 107 über Blechelektroden 109 und 111 zugeführt, die z. B. elektrisch an schräg verlaufende Bolzenanordnungen 69 und 79 von F i g. 2 angeschlossen sind. In Segmente eingeteilte Teile von zwei röhrenförmigen Strahlungsschirmen 113 und 115 sind jeweils entlang jeder der Elektroden 109 und 111 so befestigt, daß sie das Heizelement 107 umschließen und Wärmeenergie nach innen zu den Tabletten 101 richten; außerdem wird durch Verteiler 117, die an den Elektroden 109 bzw. 111 und zwischen dem Heizelement 107 und dem inneren Strahlungsschirm 115 angeordnet sind, sichergestellt, daß nahezu die ganze Wärmeenergie in dieser Art gerichtet wird. Die Segmente der Strahlungsschirme 113 und 115 sind jeweils in einem solchen Abstand von den anderen Elektroden 109 bzw. 111 angeordnet, daß keine elektrische Energie über sie geleitet wird und die ganze Wärmeenergie von dem Heizelement 107 erzeugt wird. Ein Thermopaar aus Platin-Platin mit 10°/o Rhodium ist durch Punktschweißung an der Wand des Heizelements 107 befestigt, um die Quellentemperatur zu messen. Das Oberteil der Quelle ist mit einem Verteilergebilde 119 bedeckt, das eine Mittelöffnung aufweist und als Strahlungsschirm dient, um die Wärmeenergie mit der Quelle einheitlicher zu ver-,leilen und eine punktförmige Quelle für das Siliciummonoxyd zu bilden. Die in den gestrichelten Kästchen 83, 85, 8'7 angedeuteten Temperaturregler sind Beispiele für zahlreiche Vorrichtungen, die verwendet werden können, um die den Heizelementen 57 zugeführte elektrische Energie und damit die Quellentemperatur zu regeln. Jeder der Temperaturregler 83, 85 und 87 besteht aus einem Abwärtstransformator 89, dessen Sekundärwicklung an jedem Ende elektrisch mit den unteren freiliegenden Enden der Zuführungen 75 bzw. 77 verbunden ist. Die Primärwicklung des Transformators 89 ist über eine veränderliche Induktivität 91 geschaltet, die ihrerseits an eine Wechselspannungsquelle 93 angeschlossen ist. Die veränderliche Induktivität 91 ist so eingestellt, daß sie einem zugeordneten Heizelement 57 genügend elektrische Energie zuführt, um die Quellentemperaturen der einzelnen Verdampfungsquel'len auf bestimmte Höhen einzustellen.
  • Bei der Herstellung des Schichtkryotrons von F i g. 1 werden die Verdampfungsquellen 23, 25 und 27 nacheinander auf Quellentemperaturen erwärmt, die über den Verdampfungstemperaturen der in den jeweiligen Patronen 57 enthaltenen Materialien liegen. Daher werden aufeinanderfolgende Schichten des Siliciummonoxyds, des Bleis und des Zinns übereinander auf die Unterlage 9 aufgebracht. Bezüglich der Metallschichten, d. h. der Zinn-Torschicht 5, der Blei-Steuerschicht 3a und der Abschirmungsschicht 3b sind die Quellentemperaturen insofern nicht kritisch, als es sich dabei um Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt handelt, die daher nur eine unbedeutende Materialspannung enthalten. Andererseits entstehen bei der Aufbringung in dem Siliciummonoxyd Materialspannungen, die durch die betreffendenAufdampfungs-und Kondensationsparameter des Systems bestimmt sind.
  • Da sich die Erfindung auf die Aufbringung von Siliciummonoxyd als dünne stabile Schichten auf eine Unterlage 9 richtet, wird nachstehend zunächst der Aufdampfungs- und Kondensationsprozeß für das Siliciummonoxyd näher beschrieben. Die oben beschriebene Anordnung ist für alle praktischen Zwecke konventionell; jedoch werden die neuartigen Ergebnisse der Erfindung dadurch erreicht, daß solche Aufdampfungsparameter gewählt werden, daß den Siliciummonoxyd-Schichten während des Aufdampfungs- und Kondensationsprozesses eine vorherbestimmte Materialspannung gegeben wird. Diese Aufdampfungsparameter werden in Verbindung mit den in F i g. 3 bis 8 gezeigten graphischen Darstellungen besprochen.
  • Die Materialspannung der im Vakuum aufgebrachten Siliciummonoxyd-Schichten kann variieren von einem spannbaren Zustand über einen Spannungszustand Null bis zu einem Druckspannungszustand je nach den Aufdampfungsparametern des Systems. Die wichtigsten, dieser Aufdampfungsparameter sind 1. die Aufbringungsgeschwindigkeit des Silicummonoxyds auf die Unterlage 9 und 2. die Teildrücke von Sauerstoff (OZ) und Wasserdampf (H20), die während des Aufdampfungs-und Kondensationsprozesses vorhanden sind.
  • Es hat sich gezeigt, daß, wenn die Teildrücke von Sauerstoff und Wasserdampf innerhalb vorherbestimmter Grenzen gehalten werden, der Siliciummonoxyd-Schicht entweder eine Materialspannung Null oder jede beliebige vorherbestimmte Materialspannung von etwa 5 - 10s Dyn/cml bis etwa -3 - 103 Dyn/cm2 gegeben werdenkann durch Steuerung der Temperatur der Quelle 23 mittels des Temperaturreglers 85.
  • Bei feststehendem Abstand von Quelle zu Unterlage und bei weniger als 10-5 mm Hg wird die Materialspannung, die einer Siliciummonoxyd-Schicht gegeben wird als Funktion der Aufbringungsgeschwindigkeitfür zwei Quellen, derenAufdampfungsflächen sich wie 1:2 verhalten, durch die Kurven I und II von F i g. 3 dargestellt. Durch die Wirkung der Aufdampfung eines größeren Flächenbereichs von Siliciummonoxyd-Material wird die Kurve II, die die Spannung zur Aufbringungsgeschwindigkeit darstellt, nach rechts so verschoben, daß bei einer gegebenen Aufbringungsgeschwindigkeit der Siliciummonoxyd-Schicht eine größere Zugspannung gegeben wird. Die Kurven I und II zeigen daher, daß die der Siliciummonoxyd-Schicht gegebene Materialspannung nicht allein von der Aufbringungsgeschwindigkeit abhängig ist. Die Aufbringungsgeschwindigkeit ist jedoch eine Funktion 1. des Verdampfungsflächenbereichs des Siliciummonoxyd-Materials (vgl. Kurven 111 und IV von F i g. 4, die den Verdampfungsflächen der Kurven I und II entsprechen), 2. des Abstandes zwischen der Verdampfungsquelle 23 und der Unterlage 9 und 3. der Temperatur der Quelle 23.
  • Daher ist die so erteilte Materialspannung eine Funktion der Verdampfungsfläche und der Quellentemperatur des Siliciummonoxyds.
  • Die in F i g. 3 enthaltenen Angaben bezüglich der Materialspannung als Funktion der der Verdampfungsquelle 23 zugeführten Quellenenergie dividiert durch die Verdampfungsquelle des Siliciummonoxyds (was eine Darstellung der Quellentemperatur ist) sind als Kurve V von F i g. 4 aufgetragen. Kurve V zeigt, daß die Materialspannungskurven I und IV von , F i g. 3, die zur Quellentemperatur normalisiert sind, einander überlagert sind. Man sieht daher, daß die Quellentemperatur der einzige wichtige Verdampfungsparameter für die Bestimmung der Materialspannung ist, die dem Siliciummonoxyd-Film während des Aufdampfungs- und Kondensationsprozesses mitgeteilt wird. Diese alleinige Abhängigkeit der Materialspannung des aufgebrachten Siliciummonoxyds wird eindeutig durch die Kurve XI von F i g. 7 substantiiert, welche zeigt, daß die Materialspannung der Siliciummonoxyd-Schichten innerhalb der Versuchsfehlergrenzen konstant bleibt, wenn die Aufbringungsgeschwindigkeit des verdampften Siliciummonoxyds dadurchvariiertwird, daß dieAufdampfungsfläche verändert wird, während die Quellentemperatur konstant bleibt. Gemäß der Kurve XI von F i g. 7 erhält man eine Materialspannung von etwa 1 - 109 Dyn/cm2, wenn die Quellentemperatur auf 1328'C gehalten und die Aufdampfgeschwindigkeit des Siliciummonoxyds dadurch von 4 M/sec bis 40 A variiert wird, daß die in F i g. 9 gezeigte Öffnung der Siliciummonoxyd-Quelle verändert wird.
  • Wichtig ist es weiter, daß die Wahrscheinlichkeit einer Oxydierung der Siliciummonoxyd-Schichten sowohl während des Aufdampfungs- und Kondensationsprozesses als auch danach im wesentlichen ausgeschaltet wird, wenn die Quellentemperatur während dieses Prozesses mindestens über 1300°C gehalten wird. Es ist bekannt, daß die während des Aufdampfungs- und Kondensationsprozesses vorhandenen Teildrücke von Sauerstoff und auch Wasserdampf nicht nur die Dichte, sondern auch die Materialspannung der aufgebrachten Schicht beeinflussen. Zum Beispiel stellen die Kurven VII und IX und auch die Kurven VIII und X von F i g. 6 die Materialspannung im Verhältnis zu Teildrücken von Sauerstoff bzw. Wasserdampf dar, wenn Siliciummonoxyd bei Quellentemperaturen von 1180 bzw. 1300°C verdampft wird. Wenn der Gesamtdruck unter 10-5 mm Hg gehalten wird, wird der Einfluß von Teildrücken von Sauerstoff und Wasserdampf, die die kritischsten Restgase sind, auf die Materialspannung der Siliciummonoxyd-Schicht, wie sie durch die Kurven IX bzw. X dargestellt ist, bei Temperaturen ausgeschaltet, die mindestens über 1300°C liegen. Wenn Gleichgewichtsbedingungen für die Reaktionen Si0 + 1/2 02 = S'02 und Si0 + H20 = Si02 -I- H2 angenommen werden, kann man zeigen, daß bei diesen erhöhten Temperaturen und niedrigen Drücken die Reaktionen weitaus überwiegend die Bildung von SiO begünstigen. Unter diesen Aufdampfungsbedingungen werden kompakte Schichten, also Schichten größerer Dichte, auf die Unterlage 9 aufgebracht, welche stabil, d. h. nicht oxydationsempfänglich, sowohl während des Aufdampfungs-und Kondensationsprozesses als auch danach sind. Eine so aufgebrachte Siliciummonoxyd-Schicht braucht also nicht aktiv gehärtet zu werden.
  • Die Abhängigkeit der Schichtdichte als Funktion der Quellentemperatur, wenn der Gesamtdruck in der Glasglocke 11 etwa bei 10-5 mm Hg gehalten wird, wird durch die Kurve XI von F i g. 5 dargestellt. Bei konstantem Gesamtdruck weicht die Dichte der Siliciummonoxyd-Schicht von der von Siliciummonoxyd-Material, die mit 2,15 g/cm3 angegeben wird, ab und erhöht sich mit steigender Quellentemperatur. Wenn dagegen der Gesamtdruck erhöht wird, wird die die Dichte zur Temperatur darstellende Kurve XI nach unten so verschoben, daß bei einer gegebenen Quellentemperatur eine Siliciummonoxyd-Schicht geringerer Dichte aufgebracht wird. Bei über 1300°C liegenden Quellentemperaturen ist die Dichte des aufgebrachten Siliciummonoxyds wesentlich größer als die von Siliciummonoxyd und nähert sich der Dichte von Silicium (Si), d. h. 2,40 g/cm3. Das aufgebrachte Siliciummonoxyd bildet daher eine sehr kompakte Schicht, die einen höheren Siliciumanteil enthält als das Siliciummonoxyd-Material und daher unter dem Einfluß von Luft und Wasserdampf weniger leicht oxydiert. Bei unter 1300°C liegenden Quellentemperaturen, d. h. bei niedrigeren Aufdampfgeschwindigkeiten, bildet das aufgebrachte Siliciummonoxyd eine weniger kompakte Schicht, die einen geringeren Siliciumanteil und einen höheren Siliciumdioxydanteil enthält. Diese langsam aufgebrachten Schichten oxydieren wegen ihrer poröseren Struktur leichter unter dem Einfluß von Luft. Daher wird die der Siliciummonoxyd-Schicht gegebene Materialspannung in vielen Fällen so weit verändert, daß solche Filme sich werfen.
  • Die Kurve XII von F i g. 8 veranschaulicht die der Siliciummonoxyd-Schicht mitgeteilte Material- Spannung als singuläre Funktion der Quellentemperatur in einer unter 10-6 mm Hg liegenden Atmosphäre. Man sieht, daß die so erzeugte Materialspannung veränderlich ist von einer Zugspannung von 8,7 - 10$ Dyn/cm2 bis zu einer Spannung Null, wenn die Quellentemperatur des aufzubringenden Siliciummonoxyds von 1100 auf 1600°C gebracht wird. Bei über 1450°C liegenden Quellentemperaturen machen diese Schichten bei ihrer Aufbringung auf die Unterlage 9 jedoch eine stundenlange Härtung durch. Im Laufe dieses Härtungsprozesses neigt die diesen Filmen gegebene Materialspannung, ob es sich nun um eine Zug- oder eine Druckspannung handelt, dazu, etwas mehr zu einer Zugspannung zu werden, und in einigen Fällen kann der Film dadurch rissig werden. Bei Siliciummonoxyd-Schichten, die bei zwischen 1300 und 1450°C liegenden Quellentemperaturen aufgedampftwerden, wirddas Spannungsgleichgewicht innerhalb von Minuten nach der Aufbringung erreicht und bleibt sowohl im Vakuum als auch in der Atmosphäre unverändert. Es versteht sich jedoch, daß dieses Reißen der Siliciummonoxyd-Schichten bei über 1450°C liegenden Quellentemperaturen nicht durch das Oxydieren der Schichten unter dem Einfluß von -Luft oder Wasserdampf bedingt ist.
  • Die erfindungsgemäße Aufbringung von Siliciummonoxyd-Schichten wird daher in Atmosphären durchgeführt, deren Druck unter 10-6 mm Hg liegt, um die Wirkungen von Teildrücken von Sauerstoff und Wasserdampf aufzugeben (s. F i g. 6), und bei über 1300°C liegenden Quellentemperaturen, um nichtoxydierende Siliciummonoxyd-Schichten zu bilden (s. F i g. 5). Da die Quellentemperatur des verdampften Siliciummonoxyds der einzige determinierende Faktor ist, wird weiterhin diesen Filmen eine vorherbestimmte Materialspannung gegeben (s. F i g. 3, 4 und 8), die sich mit den Differenzen in den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Metallschichten, z. B. der Blei-Steuerschicht 3 a und der Zinn-Torschicht 5, verträgt, zwischen denen diese Schichten in der mehrschichtigen Kombination von F i g. 1 angeordnet sind, indem die veränderliche Induktivität 91 des Temperaturreglers 85 wahlweise gesteuert wird. Auf diese Weise läßt sich die in jeder Siliciummonoxyd-Schicht entstehende Materialspannung an jedem Punkt auf einer bestimmten Kurve der Kurvenschar von F i g. 1 so steuern, daß entweder eine Zugspannung, eine Spannung Null oder eine Druckspannung entsteht. Im Falle des Kryotrons von F i g. 1 ist es erwünscht, eine Zugspannung zu erhalten, damit sie mit den linearen Kontraktionen der Metallschichten vereinbar ist, wenn das Kryotron den normalen Betriebstemperaturen ausgesetzt wird.

Claims (2)

  1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Vakuumaufdampfen von stabilen dünnen Siliciummonoxyd-Schichten mit vorbestimmbarer Materialspannung, insbesondere für die Herstellung von mehrschichtigen Kryotronvorrichtungen, dadurch gekennzeichn e t, daß das Aufdampfen bei einem Druck von höchstens 10-6 mm Hg und bei einer Temperatur des zu verdampfenden Materials im Bereich von 1300 bis 1450°C durchgeführt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufdampfen von Siliciummonoxyd-Schichten mit hohen Zugspannungen im unteren Teil und zum Aufdampfen von Schichten mit kleinen Zug- oder Druckspannungen im oberen Teil des Temperaturbereichs gearbeitet wird. In Betracht gezogene Druckschriften: »Journal of the American Ceramic Societya, Bd. 33, 1950, S. 354/55.
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